本應用說明(míng)介紹了兩種模拟LED的方法，強調了一些(xiē)有(yǒu)用的分析工具。
FRED用于LED建模
CAD導入
FRED可(kě)以導入IGES和(hé)STEP格式CAD模型，允許光學和(hé)機械元件的快速集成。
一些(xiē)LED廠商網上(shàng)提供CAD文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
光線文件導入
可(kě)以将光線文件可(kě)以動态地加載到FRED的光源定義中。
一些(xiē)LED廠商網上(shàng)提供光線文件，如Cree，OSRAM，Philips Lumileds，Bridgelux。
數(shù)字化工具
數(shù)據表産生(shēng)的數(shù)據圖光譜（曲線）圖可(kě)以被數(shù)字化，并用于生(shēng)成光源波長。
數(shù)據表産生(shēng)的角分布曲線可(kě)以被數(shù)字化，并用于光源能量切趾。•
2-D機械圖紙可(kě)以被數(shù)字化，并用于生(shēng)成精确的幾何形狀。
極坐(zuò)标計(jì)算(suàn)下的強度
可(kě)以計(jì)算(suàn)出角分布，從而與廠商的規格對比進行(xíng)模型驗證。
彩色圖像
可(kě)以計(jì)算(suàn)和(hé)渲染精确的彩色圖像，不僅提供比色法色度計(jì)算(suàn)的數(shù)據（例如RGB值和(hé)色度坐(zuò)标），也提供彩色圖像分布的視(shì)覺效果情景圖。
可(kě)視(shì)化視(shì)圖
任何圖像或渲染可(kě)以顯示在三維視(shì)圖中，可(kě)以快速驗證模型的設置，或者用于系統的可(kě)視(shì)化演示中。
FRED中的實際案例：創建LED模型
越來(lái)越多(duō)的LED廠商提供在其網站(zhàn)上(shàng)的提供了CAD模型和(hé)光線文件（Cree,，OSRAM，Philips Lumileds和(hé)Bridgelux ）。第一種方法描述了使用CAD幾何體(tǐ)和(hé)光線文件導入和(hé)創建LED模型。第二種方法描述僅使用數(shù)據表說明(míng)來(lái)建LED模型。整個(gè)例子使用的是Philips Lumiled公司的Amber LUXEON Rebel Color，零件編号LXML-PL01-0030。
方法1：CAD幾何體(tǐ)和(hé)光線文件
1、導入CAD幾何體(tǐ)
FRED的CAD導入功能可(kě)以很(hěn)方便地導入任何STEP或IGES格式的文件。在CAD導入對話(huà)框包含的選項如給曲面和(hé)曲線随機分配顔色，創造和(hé)獨立繪制(zhì)曲線，将模型以陰影(yǐng)曲面或線框的形式顯示，并分配默認的光線追迹控制(zhì)集。圖1顯示導入的線框形式的LUXEON Rebel LED的CAD幾何體(tǐ)。注意，CAD幾何體(tǐ)設置為(wèi)“不可(kě)追迹”，這意味着它不能在光線追迹中使用。它作(zuò)為(wèi)一個(gè)參考物，使得(de)LED模型相對于系統中的其它元素處于正确的位置。
圖1.LUXEON Rebel LED的CAD模型導入到FRED，顯示在線框中。
2、導入光線文件
可(kě)以将光線文件直接加載到Detailed Source的“Positions/Directions（位置/方向）”标簽中，如2圖所示。在FRED中支持的光線文件格式有(yǒu)：FRED緊湊型光線集（* .fcr）；ASAP分布文件（*.dis）；ProSource二進制(zhì)格式支持從Zemax、OPTICAD和(hé)TracePro中導出的文件；支持LightTools和(hé)TracePro的ASCII /Text格式；LucidShape二進制(zhì)文件。FRED允許用戶決定是使用光線文件中的所有(yǒu)光線或是用戶指定的子集。顯然，所使用的光線越多(duō)，該模型越準确。然而，必須找到速度和(hé)光線數(shù)目之間(jiān)的平衡點。通(tōng)常在使用大(dà)量光線進行(xíng)全部的光線追迹之前先使用一個(gè)較小(xiǎo)的子集進行(xíng)測試。
圖2.Detailed optical source（詳細光源）對話(huà)框顯示導入光線文件的選項。
3、設置正确的功率和(hé)單位
取決于導入的光線文件的格式，FRED可(kě)以讀取并為(wèi)LED光源分配一個(gè)功率值，在彈出的窗口中顯示功率的設置。可(kě)以查詢LED數(shù)據表來(lái)驗證該值，因為(wèi)廠商通(tōng)常會(huì)針對不同功率的LED提供單個(gè)光線文件。如果光線文件中沒有(yǒu)指明(míng)功率大(dà)小(xiǎo)，則默認值為(wèi)1。可(kě)以在Detailed Source（詳細光源）的Power（功率）标簽中輸入光源功率。FRED定義功率的單位有(yǒu)瓦特、流明(míng)或任意單位。圖3顯示了LED模型，白色繪制(zhì)的是新定義的光源光線。
圖3.從光線文件中導入光線的LED模型
4、數(shù)字化光譜
FRED有(yǒu)一個(gè)易于使用的數(shù)字化工具，它可(kě)以從一張BMP或JPEG格式的圖中提取光譜數(shù)據點，如圖4所示。數(shù)字化的光譜可(kě)以被分配給光源。每個(gè)FRED文檔都有(yǒu)專門(mén)用于創建、管理(lǐ)、和(hé)繪制(zhì)光譜的文件夾。光譜可(kě)指定為(wèi)高(gāo)斯，黑(hēi)體(tǐ)或采樣。采樣的光譜類型是數(shù)字化光譜的一個(gè)合适選擇。
圖4.基于數(shù)據表中光譜能量分布曲線的Amber LUXEON LED光譜的數(shù)字化。
5、模型驗證
FRED極坐(zuò)标網格計(jì)算(suàn)的強度與數(shù)據表提供的角分布結果對比，可(kě)用于驗證LED模型。FRED中Directional Analysis Entity（直接分析實體(tǐ)）可(kě)以用來(lái)分析。該DAE是專為(wèi)光線過濾、計(jì)算(suàn)和(hé)在球形極坐(zuò)标網格上(shàng)顯示光強數(shù)據設計(jì)的。圖5顯示了Lumileds LUXEON Rebel的角分布圖（左）與相應的FRED模型分布（右）良好的一緻性。
圖5.LUXEON Rebel LED的角分布圖，（左）廠商提供的圖，（右）FRED仿真的圖。
方法2：僅僅使用數(shù)據表
1、創建光源
創建一個(gè)新的Detailed Source，将光線位置設置為(wèi)“Random Pane（任意平面）（一個(gè)平面上(shàng)随機排列的點）”，以避免光線結構産生(shēng)影(yǐng)響。輸入所需的光線數(shù)目并使用Isotropic（各向同性）角分布将光線方向指定為(wèi)“一定角度範圍內(nèi)随機進入”。角度分布圖将被用于定義光線的方向（步驟4）；将分布設置為(wèi)Isotropic設置确保了不存在二次內(nèi)部切趾。角分布圖代表了遠場(chǎng)輻射方向模型，所以應使用小(xiǎo)的光線網格（在遠場(chǎng)中發射器(qì)近似為(wèi)一個(gè)點光源）。
2、設置正确的功率和(hé)數(shù)字化光譜
按照上(shàng)述方法1中所述步驟3和(hé)步驟4操作(zuò)。
3、數(shù)字化的角分布作(zuò)為(wèi)功率切趾
就像可(kě)以為(wèi)光源分配數(shù)字化光譜一樣，也可(kě)以為(wèi)定向功率切趾分配數(shù)字化角分布來(lái)模拟LED的角度擴散。線性和(hé)極坐(zuò)标圖都可(kě)以被數(shù)字化。圖6示出的一個(gè)極坐(zuò)标切趾圖的數(shù)字化。簡單的LED燈模型是通(tōng)過這一步完成的。
圖6.基于極坐(zuò)标圖的Amber LUXEON Rebel LED的角分布的數(shù)字化圖像
這兩種方法的比較
通(tōng)過計(jì)算(suàn)距LED模型多(duō)個(gè)距離平面上(shàng)的照度分布，來(lái)比較上(shàng)述的兩種方法，如圖7所示。兩個(gè)模型用5000000條光線進行(xíng)了仿真，分布看起來(lái)非常相似，主要區(qū)别在于光線文件模型具有(yǒu)較低(dī)的輻照度。模型使用不同光線集時(shí)變化較小(xiǎo)。注意，即使距離光源2mm，屬于近場(chǎng)區(qū)域範圍，輻照分布也非常相似。
圖7.距離光源2、4、8、16毫米時(shí)的照度分布。在模拟仿真中使用了5M條光線。處于每個(gè)距離的兩幅圖像有(yǒu)相同的規格。
專注于FRED的一個(gè)工具：彩色圖像
FRED有(yǒu)一個(gè)分析工具，Color Image，用于彩色可(kě)視(shì)化和(hé)色度計(jì)算(suàn)。例如，可(kě)以組合不同權重的多(duō)個(gè)波長，并合成相應的顔色。圖8顯示出了四個(gè)不同顔色的LED燈透過準直透鏡并照射屏幕上(shàng)。渲染的彩色圖像顯示在3D視(shì)圖在屏幕上(shàng)。使用FRED的可(kě)視(shì)化視(shì)圖功能可(kě)以将任何分析圖顯示在3D視(shì)圖中。圖9顯示了完整的彩色圖像計(jì)算(suàn)結果窗口。
圖8.四個(gè)單波長的LED穿過準直透鏡并在屏幕上(shàng)重合。混合四個(gè)LED得(de)到的彩色圖像由彩色圖像由彩色圖像分析功能進行(xíng)渲染，并通(tōng)過可(kě)視(shì)化視(shì)圖功能顯示在3D視(shì)圖中。
圖9.彩色圖像分析結果窗口顯示4個(gè)窗格（左上(shàng)至右下）：RGB值渲染的彩色圖像；X灰度橫截面；Y灰度橫截面；色度圖與色度坐(zuò)标。
顯示在圖9中的彩色渲染具有(yǒu)定義的結構。這些(xiē)LED是立方模型發射器(qì)，中間(jiān)是一個(gè)圓形的鍵合焊盤。這是幾個(gè)關鍵內(nèi)部結構的建模的一個(gè)例子，表示了近場(chǎng)模式的相關方面。準直透鏡置于發射器(qì)的前焦點，準直透鏡不僅提供了良好的準直效果，而且将發射器(qì)的結構成像到遠場(chǎng)中去，如在屏幕上(shàng)看到的。如果達到的效果是不理(lǐ)想，經常會(huì)出現的情況，有(yǒu)兩種解決辦法：移動透鏡或使用非成像光學器(qì)件。将透鏡移動到離LED更遠的地方，改變發射器(qì)的焦點，結構消失了，如圖10所示。光束更加發散，但(dàn)隻是隻發生(shēng)了微小(xiǎo)的改變。非成像光學器(qì)件，例如一個(gè)收集器(qì)或反射器(qì)，也可(kě)用于引導光線，而無需創建不需要的結構。
圖10.将透鏡稍微遠離LED時(shí)的顔色渲染，可(kě)以消除圖8中顯示的發射器(qì)的結構看出
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